Les fluides, qu'ils soient liquides ou gazeux, présentent différents niveaux de viscosité. La viscosité correspond au frottement entre les molécules qui composent un fluide. Ainsi, ce frottement se manifeste lors de l'écoulement du fluide. Dans les liquides, la viscosité est due aux forces de cohésion (forces d'attraction entre molécules similaires). En revanche, dans les gaz, la viscosité est due aux collisions entre les molécules.
Un fluide liquide s'écoule plus facilement, comme l'eau. À l'inverse, un fluide visqueux s'écoule plus difficilement, comme un lubrifiant. On peut le vérifier en versant de l'eau et du lubrifiant sur une surface inclinée. L'eau s'écoule plus vite que l'huile. La viscosité d'un fluide dépend également de sa température. Plus la température du liquide est élevée, moins il est visqueux. Par exemple, lorsqu'on fait frire du poisson, l'huile de cuisson, initialement épaisse, devient plus fluide à la chaleur. Inversement, plus la température d'un gaz est élevée, plus il est visqueux.
Coefficient de viscosité
Le symbole η représente la viscosité du fluide (ou êta). η = coefficient de viscosité. Ainsi, le niveau de viscosité d'un liquide est exprimé par son coefficient de viscosité.
Une fine couche de fluide est placée entre deux plaques. La cohésion est une force d'attraction entre molécules similaires, tandis que l'adhésion est une force d'attraction entre molécules différentes. Les forces d'adhésion s'exercent entre la plaque et la couche de fluide qui y adhère (les molécules du fluide et celles de la plaque s'attirent). Parallèlement, les forces de cohésion s'exercent entre les membranes liquides (les molécules du fluide s'attirent mutuellement).
Initialement, la plaque et la couche de fluide sont immobiles (figure 1). Ensuite, la plaque supérieure est tirée vers la droite (figure 2). La plaque inférieure reste immobile. L'intensité de la force de traction est telle que la plaque supérieure se déplace vers la droite à vitesse constante (v constante). Du fait de la force d'adhésion entre le bord de la plaque et la partie du fluide qui y adhère, le fluide situé sous la plaque se déplace également vers la droite. Enfin, grâce à la force de cohésion entre les molécules du fluide, le fluide qui se déplace vers la droite attire le fluide situé en dessous.
La partie du fluide située en haut attire le fluide situé en bas pour le déplacer vers la droite.
La partie inférieure du fluide maintient le fluide supérieur en place, ce qui explique la variation de sa vitesse. Le fluide situé en surface se déplace plus rapidement (v), celui du bas plus lentement (v), et ainsi de suite. Plus on descend, plus v est faible. Autrement dit, la vitesse de la couche de fluide varie régulièrement de la surface vers le bas, sur toute la longueur l.
La variation de la vitesse de la couche de fluide (v) divisée par la distance de variation (l) est égale à v / l. V/l est appelé gradient de vitesse. Les plaques situées au-dessus peuvent se déplacer grâce à une force d'attraction (F). Pour certains fluides, l'intensité de cette attraction est directement proportionnelle à la surface du fluide en contact avec la plaque (A) et à sa vitesse (v), et inversement proportionnelle à la distance l. Mathématiquement, cela s'écrit :
Il a été expliqué précédemment qu'un fluide plus fluide s'écoule généralement plus facilement, tandis qu'un fluide plus épais s'écoule plus difficilement. Le coefficient de viscosité exprime le niveau de viscosité du fluide. Si le fluide est plus épais, la force de traction nécessaire est également plus importante. Dans ce cas, la force de traction est directement proportionnelle au coefficient de viscosité. Mathématiquement, cela s'écrit comme suit :
η = coefficient de viscosité, F = force, l = distance, A = surface, v = vitesse, ∝ = comparaison
L'unité du Système international (SI) pour le coefficient de viscosité est le Ns/m² = Pa.s (pascal-seconde). L'unité CGS (centimètres-grammes-seconde) pour le coefficient de viscosité est le dyn.s/cm² = poise (P). La viscosité est également souvent exprimée en centipoises (cP). 1 cP = 1/100 P. L'unité poise est utilisée en hommage au scientifique français Jean Louis Marie Poiseuille.
1 poise = 1 dyn. s/cm² = 10⁻¹ Ns / m²
